【摘要】：隨著數字技術的持續(xù)發(fā)展和半導體工藝的進步，在新的工藝條件下，超大規(guī)模集成電路設計正面臨著新的問題。對于處理器設計而言，一方面由于影響處理器設計的線延遲、存儲器訪問延遲、功耗、設計復雜度、設計開銷等問題愈發(fā)嚴重；另一方面，人們對計算能力的要求平均以每年80％左右的速度遞增。而傳統(tǒng)的微處理器結構由于過多地使用了集總式部件而導致可擴展性較差，已不能適應當前的技術、經濟發(fā)展要求。在這種情況下，一系列新型的處理器結構應運而生，分簇超標量處理器正是其中之一。分簇超標量處理器通過將超標量中的集總式部件用協(xié)同工作的基本同構（或模塊化）的多個小部件（簇）來代替，，并對協(xié)作的方法進行了特別的關注，使得分簇超標量處理器在面積、功耗、設計復雜度、設計開銷減少時，能夠獲得接近、達到、或超過原有的集總的超標量處理器的性能，并且具有較好的可擴展性。 文章首先對影響分簇超標量性能的關鍵因素——指令分派算法進行了深入研究。分析了若干經典的分派算法，并對分簇大小、指令隊列大小、簇間通信延遲、指令隊列的分派端口以及重試策略對分派算法的影響進行了詳細的研究�；谏鲜龇治鼋Y果，指出不同分派算法的性能隨仿真條件的變化差異巨大。由于經典的相關性算法在負載均衡上還有擴展空間，以及無需給相關性算法提供與取指寬度相同數量的分派端口以滿足最壞情況，提出了一種基于限制分派端口數目以進行強制均衡策略的LA分派算法。該算法將經典的DCOUNT算法中累積性的一次性負載均衡分散到多點、多次，性能與DCOUNT算法相當，降低了硬件復雜度和面積開銷。 在對Fields的程序相關圖進行改進的基礎上，提出了一種在線關鍵路徑分析框架，該框架能快速有效地分析分簇超標量處理器的性能瓶頸。將該框架集成到仿真器中，進行了處理器的CPI分析、指令的關鍵性研究等工作。 在分析分布式寄存器堆結構和拷貝指令特點的基礎上，提出了一種分簇超標量處理器微結構。該結構使用了一種新的分布式重命名機制，該機制對重命名級進行了分簇，減少了硬件開銷，提升了處理器的擴展性；研究了拷貝指令給分簇超標量的指令調度和執(zhí)行帶來的影響，提出了一種使用拷貝指令附加信息的指令隊列結構。該指令隊列相對于任何使用單獨拷貝指令隊列的情況，在1x8的結構下，整數性能至少上升了2.5％，浮點性能至少持平；相對于拷貝指令跟正常指令爭用資源的情況，整數性能上升26.2％，浮點上升59.7％。 論文提取并分析了分簇超標量處理器中點對點標量網絡的通信特征，指出了其顯著特點在于較低的負載特性和較均勻的負載分布。通過一種可配置網絡平臺對標量網絡的網絡性能進行了仿真與評估，確定了標量網絡及其路由器設計的優(yōu)化策略，提出了一種適用于分簇超標量處理器的點對點標量網絡，采用兩套配置相同、共用控制邏輯的網絡，分別傳輸標簽與操作數。其中路由器具有設計簡單、無流控機制、具有旁路機制等特點。使用該標量網絡，處理器能夠達到與理想總線相近的性能，比使用SynNet的處理器性能平均提升了5.8％。 分簇超標量處理器中Cache的性能依然是處理器的瓶頸，通過給每個簇配置一個私有的快速投機L0Cache的方法，較好地抵消了下級Cache的訪問延遲。通過給L0Cache加入讀更新和固定讀長度的方法，在保證足夠的正確率的同時，較文獻中的L0Cache結構的讀命中率增加了44.8%。仿真結果顯示，在8簇的分簇處理器中，每簇采用4KB2路組相連分簇L0Cache后，處理器性能平均提升5.6%，在部分測試程序中達到20%以上，較文獻中的L0Cache性能提升3.1％。
【圖文】：

圖 1-1 ITRS 對半導體業(yè)的預測[2]Figure 1-1 ITRS product technology trend[2]圖 1-2 單個周期內能訪問的芯片面積[6]Figure 1-2 Fraction of chip reached in one clock[6]ll：工藝水平的提高可以讓單芯片集成更多的晶，同時也意味著更大的動態(tài)功耗。另外，連線為了芯片功耗的重要組成部分。而經濟因素、

- 2 -圖 1-2 單個周期內能訪問的芯片面積[6]Figure 1-2 Fraction of chip reached in one clock[6]：工藝水平的提高可以讓單芯片集成更多的，同時也意味著更大的動態(tài)功耗。另外，連線為了芯片功耗的重要組成部分。而經濟因素、芯片散熱技術等多方面的限制，為每個芯片定導體工業(yè)協(xié)會（Semiconductor Industry Asso耗的預計�？梢钥闯鎏幚砥髦性试S的功耗并不律。如何在功耗約束下到達性能目標，成為微
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：TP332

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本文編號：2652930